레일신축이음매 사용

유지보수가 빈번히 발생하는 특성으로 레일신축이음매의 사용은 가급적 피하는 것이 좋습니다. 다만 교량설계시 현장여건 등 부득이한 사유로 레일부가응력기준 및 변위기준을 만족할 수 없는 경우 부설검토를 수행합니다.

검토절차

온도하중, 시·제동하중, 열차 수직하중의 총 레일부가응력이 허용응력을 초과할 경우 레일응력이 가장 높은 지점 부근에 레일신축이음매의 부설경합조건을 참고하여 레일신축이음매 부설위치를 설정합니다.

본 예제에서는 1@40×10=400m 모델을 이용하였으며, 레일응력이 가장 큰 지점에 레일신축이음매를 부설한 경우를 가정하였고 온도하중에 대한 영향만을 검토하는 방법을 예시하였습니다.

① RTA_INPUT.xls의 Interaction and Expansion Joint 인덱스에 다음과 같이 레일신축이음매의 설치위치와 initial gap을 입력합니다.

② RTA_INPUT.xls의 Loading 인덱스에 다음과 같이 레일의 온도하중 40℃, 교량의 온도하중 25℃를 정의합니다.

Tip.

LUSAS에서 Expansion Joint를 표현하는데 Joint요소를 사용하며, 적용하는 Joint모델은 Frictional Contact로 인장에 대해서는 저항하지 않고 압축에 대해서만 Gap이 닫힌 이후에 저항력을 갖게 됩니다. 즉, Initial Gap에 0이 아닌 값을 입력하면 정의 한 Gap이 닫히기 전까지는 압축에 대해 저항하지 않고, Gap이 닫히면 압축에 대해 지정한 스프링 상수값에 따라 저항합니다. (본 해석모델에서는 접촉점에서의 응력전달이 100% 이루어지도록 Gap이 닫힌 후의 스프링상수는 별도의 지정 없이 극한값으로 적용됩니다.)

레일신축이음매 705m 지점은 장대레일 최좌측 끝단을 0m로 기준하여 떨어진 거리로 705m지점에 설치하는 것으로 예시하였습니다.

이격거리에 대해서는 관련 기준(선로정비지침)을 참고하시기 바랍니다.

본 예제에서는 Gap을 500mm로 임의적으로 크게 설정하여 Expansion Joint가 설치된 위치에서는 압축/인장 모두 완전히 저항하지 않는 분리 상태를 표현하였습니다.

③ 신축이음매와 레일 및 교량에 대한 온도하중의 정의 후, UIC774-3 Model Builder를 이용하여 모델을 구성하고 온도하중 해석을 수행합니다.

Bridge / Rail Track Analysis / Build UIC774-3 Model…

④ 해석이 끝나면 UIC774-3 Post Processor를 이용하여 결과를 엑셀파일로 출력하고 응력을 확인합니다.

Bridge / Rail Track Analysis / Extract Results to Excel…

레일에 신축 이음매를 설치하고 Deck = 25℃, Rail= 40℃ 재하하여 해석한 결과 레일의 응력은 다음과 같습니다.

레일의 교량상판에 대한 상대변위는 다음과 같습니다. Excel 결과파일의 변위 그래프는 교량구간에 대해서만 출력하지만 하단의 데이터를 추가하여 다음과 같이 토공구간까지의 변위를 확인할 수 있습니다. 전 구간 레일의 교량 상판에 대한 상대변위는 Rel. Disp of Railbed whole Track(m) 값으로도 확인할 수 있습니다.

신축이음매 부설시(405m 지점) 온도하중에 대한 레일부가응력 및 변위량

부동구간 레일응력 = EαΔT=210000N/mm²×1.14×10-5×40℃=95.76N/mm²

레일에 발생한 최대 압축 응력 (160m 지점에서 발생) = 107.016 MPa

레일 부가최대압축응력 = 최대압축응력 – 부동구간응력 = 107.016 – 95.76 = 11.256MPa

레일 신축이음매변위 (405m 지점, REJ 타입 결정에 참조) :

좌측 레일 = +25.257 mm (전진)

우측 레일 = -17.744 mm (후진)

신축이음매변위 = 43.001mm 수축

Tip.

레일신축이음매 부설시 레일에서 발생하는 최대압축부가응력을 검토하기 위해 부동구간 레일응력산정 시 레일온도로 (+)의 최대온도하중 40℃를 적용하였습니다. 위의 예제는 레일신축이음매 검토방법을 예시한 것으로서 실제 설계검토에서는 종합 응력검토와 변위검토를 모두 수행하여야 합니다.

위의 그래프는 교량구간내의 레일에 대한 상대변위의 최대 및 최소값을 나타내고 있습니다. 실제 레일 신축이음매 부설 구간은 토공구간인 좌측교대에서 405m지점이기 때문에 절대변위 DX데이터를 이용하여 최대값을 25.257mm로 확인하였습니다.